Kunstige menneskelige embryoer kommer, og ingen vet hvordan de skal håndteres

TILLATS AV ARYEH WARMFLASH, RICE UNIVERSITY Med tillatelse fra Aryeh Warmflash, Rice University.

Yue Shao hadde aldri sett noe lignende.

For to år siden jobbet Shao, en maskiningeniør med sans for biologi, med embryonale stamceller, den typen som stammer fra menneskelige embryoer som kan danne en hvilken som helst celletype. Mens han eksperimenterte med måter å få celler til å danne mer organiserte tredimensjonale strukturer ved å dyrke dem i stillaser av myk gel, lette han etter tegn på primitivt nevralt vev.

Det som trakk oppmerksomheten hans var at cellene så ut til å endre seg mye raskere enn forventet – de ordnet seg raskt over noen dager i en skjev sirkel.

Hva var det? Shao skremte Googling for å se om han kunne identifisere strukturen. Det var da han landet på et nettsted kalt The Virtuelt menneskelig embryo og fant noen mikroskopbilder av ti dager gamle menneskelige embryoer kort tid etter implantasjon, smeltet sammen til livmorveggen. Det var begynnelsen på fostervannssekken og, inne i den, den embryonale skiven, eller den fremtidige kroppen. De stemte overens med det han så.

I denne mikroskopfilmen, filmet over fire dager, organiserer stamceller seg selv på måter som etterligner et menneskelig embryo. Med tillatelse fra University of Michigan

Shao informerte sine medarbeidere, et blandet team av biologer og ingeniører, ved University of Michigan. Da jeg viste bildet til teamet, sa alle: Wow, vi må finne ut hva vi skal gjøre, sier Shao. Hadde de på en eller annen måte laget et ekte menneskelig embryo av stamceller? På det tidspunktet begynte vi å være mer forsiktige.

De embryolignende strukturene, bestemte teamet snart, er ikke komplette og kunne ikke bli en person. De mangler celletypene som trengs for å lage en morkake, et hjerte eller en hjerne. Likevel er Michigan-embryoidene realistiske nok til at laboratoriet har ødelagt dem ved å bruke et bad med vaskemiddel eller formaldehyd for å sikre at de ikke utvikler seg videre.

Arbeidet i Michigan er en del av en større boom innen organoidforskning – forskere bruker stamceller til å lage klumper av celler som i økende grad ligner biter av hjerne, lunger eller tarm (se 10 Breakthrough Technologies: Brain Organoids). Nå finner noen som Shao at det er mulig å etterligne selve embryoet. I år bygde for eksempel forskere i Cambridge, U.K. en overbevisende kopi av et seks dager gammelt musefoster ved å kombinere to typer stamceller. Den gruppen prøver nå å gjøre det samme med menneskelige celler, som noen få andre, inkludert en ved Rockefeller University i New York. Det som dukker opp, sier forskere, er en ny teknologi, som de kaller syntetisk embryologi, og som de tror kan la dem undersøke de fascinerende åpningskapitlene i menneskelig utvikling i detalj for første gang.

Det har vært vanskelig å gjøre fordi normale embryoer ikke fortsetter å vokse mer enn omtrent en uke i et laboratorium. Viktige hendelser etter det er stort sett utilgjengelige for vitenskapen: de skjer i mørket i den menneskelige livmoren selv før de fleste kvinner vet at de er gravide.

En mikrofluidisk enhet som brukes ved University of Michigan for å dyrke organoider laget av embryonale celler. Omtrent 10 organoider kan passe inn i hver av de små blå kanalene. Med tillatelse fra University of Michigan

Dessuten er forskning på ekte menneskelige embryoer forfulgt av abortpolitikk, begrenset av finansieringslover og begrenset til forsyninger fra IVF-klinikker. Nå, ved å dyrke embryoider i stedet, ser forskerne en vei rundt slike grenser. De slipper allerede løs hele suiten av moderne laboratorieverktøy – genredigering, optogenetikk, høyhastighetsmikroskoper – på måter som lar dem gjenta et eksperiment hundrevis av ganger eller, med genetisk trolldom, stille tusen spørsmål på en gang.

Et resultat allerede fra Michigan-teamet: dramatisk nærbilde av stamceller som organiserer seg selv i strukturer som etterligner embryoer.

Det er utrolig at [stamceller] har denne evnen, sier Jianping Fu , professor ved University of Michigan hvis ingeniørlaboratorium Shao var student. Han sier at fremveksten av noe med et embryos form, og noen av dets funksjoner, var en fullstendig overraskelse; Jeg kan fortsatt ikke tro det. Men det viser at disse cellene husker hva de skal gjøre.

Forskere ved Michigan har nå planer om å produsere embryoider i hundrevis. Disse kan brukes til å screene medisiner for å se hvilke som forårsaker fødselsskader, finne andre for å øke sjansen for graviditet, eller for å lage utgangsmateriale for laboratoriegenererte organer. Men etiske og politiske krangler ligger kanskje ikke langt bak. Dette er en ny frontlinje både innen vitenskap og bioetikk. Og det ser ut til at det vil forbli omstridt de neste årene, sier Jonathan Kimmelman, medlem av bioetikkenheten ved McGill University i Montreal, og leder av en internasjonal organisasjon av stamcelleforskere.

Hva vokser egentlig i retten? Det er ikke noe enkelt svar på det. Faktisk er ingen engang sikker på hva de skal kalle disse nye enhetene. I mars tilbød et team fra Harvard University de mest kjente syntetiske menneskelige enhetene med embryo-lignende egenskaper, eller SHEEFS, i et papir advarer om at mange nye varianter er i horisonten, inkludert realistiske minihjerner.

Shao, som fortsetter sin opplæring ved MIT, gravde i etikkspørsmålet og kom til sine egne konklusjoner. Veldig tidlig i vår forskning begynte vi å ta hensyn til hvorfor vi gjør dette? Er det virkelig nødvendig? Vi bestemte oss for ja, vi prøver å dyrke en struktur som ligner på en del av det tidlige menneskelige embryoet som ellers er vanskelig å studere, sier Shao. Men vi kommer ikke til å generere et fullstendig menneskelig embryo. Jeg kan ikke bare vurdere følelsene mine. Jeg må tenke på samfunnet.

Andre forskere er imidlertid fast bestemt på å se hvor langt vitenskapen fører, til og med å smi det første komplette menneskelige embryoet fra stamceller. Det er tilfellet med Ali Brivanlou, en embryolog som leder et laboratorium ved Rockefeller University i New York City. Målet mitt er å maksimere modelleringen, in vitro, av menneskelig utvikling, skrev Brivanlou i en e-post. Derfor ønsker vi å være så nøyaktige som mulig og så fullstendige som mulig.

Tar form

Embryonale stamceller ble først isolert fra ledige, dager gamle IVF-embryoer i 1998 av forskere i Wisconsin. Tidlig, i løpet av de første dagene, er et embryo lite mer enn en masse av disse identiske, blanke cellene. Deres spesialitet: å lage en hvilken som helst annen type celle i kroppen. Med et øye mot eventuelle medisinske behandlinger, har selskaper brukt dem til å produsere nevroner og betaceller som reagerer på insulin. Etterlatt alene i en tallerken vil de spontant bli til hjertemuskel og begynne å slå.

Forskere har begynt å lete etter måter å lokke stamceller til å danne mer kompliserte, organiserte vev, kalt organoider. Disse miniorganene er ikke den ekte varen. I stedet er de langt mindre - på størrelse med sandkorn - og ofte mindre sofistikerte. Men de kan fortsatt ha grunnleggende aspekter av, for eksempel, de forgrenede luftveiene og bølgete flimmerhår i en lunge . I fjor brukte forskere hjerneorganoider for å vise hvordan Zika-viruset kan infisere hjerneceller.

I 2014 begynte slike anstrengelser å gi bevis for at stamceller kan, hvis de får de riktige signalene, direkte gjenskape tidlige hendelser i et embryo. Brivanlous laboratorium hadde ideen om å samle stamceller i bittesmå prikker på en mikromønstret overflate. Inneholdelse av cellene bidro til en overraskende effekt. De utviklet en organisert primitiv strek - et trekk ved et to uker gammelt menneskelig embryo når celler legger ned det første hintet til en kroppsplan, og bestemmer hvilken side som er venstre og høyre.

Disse embryoidene var ikke naturlige. De var tynne, vokst som et flatt ark, og stripene deres var sirkler, ikke linjer som i et ekte embryo. Men det fungerte bedre enn vi trodde, sier Aryeh Warmflash, en professor ved Rice University som kjørte eksperimentet mens han jobbet på Rockefeller. Det vi i økende grad har innsett er at cellene er programmert til å lage et embryo. Det er det de ønsker å gjøre. Hvis cellene er i riktig form, med riktig tetthet, og du gir dem riktig signal, tar cellene bare over derfra, de snakker med hverandre.

I Michigan, sier Fu at laboratoriet hans, i samarbeid med Michigan-biolog Deborah Gumicio, traff sin egen metode for å lage embryoider nesten ved et uhell mens han studerte om mekaniske signaler, som å vokse celler i en gel som er myk eller klebrig, kan forbedre deres evne til å dannes. visse vev.

Ett eksperiment innebar å oppmuntre tarmceller til å danne en lumen, eller hul cyste. Som et kontrolleksperiment dyrket de også embryonale stamceller på samme måte. Det var da serendipity slo inn, sier Fu. Stamcellene polariserte seg til kuler som hadde likhet med starten på et fosterhule. [Etter] det var da vi så alle de fascinerende selvorganiserende funksjonene, sier Fu.

Etiske spørsmål

Ytterligere tester viste at embryoidene bare representerte en del av embryoet. Mens de hadde begynnelsen av en fostersekk, manglet de en hel linje av celler, kalt trofoblast, hvis rolle er å lage morkaken. Og inne i celleklumpen som utgjør et egentlig embryo, oppdaget forskerne bare én av tre nøkkeltyper som trengs for å lage en komplett kropp.

Da teamet publiserte funnene tidlig i august, gikk de stort sett ubemerket hen. Det er kanskje fordi forskerne valgte ordene sine nøye og anstrengte seg for å unngå sammenligninger med embryoer. Shao begynte til og med å bruke begrepet asymmetrisk cyste for å beskrive enhetene som hadde overrasket teamet. Vi må være forsiktige med å bruke begrepet syntetisk menneskelig embryo, for noen er ikke glade for det, sier Fu.

Et embryoid laget av stamceller deler nøkkeltrekk med et ekte menneskelig embryo, som en fostersekk, men mangler andre elementer. GJENNOM TILLATELSE FRA YUE SHAO, UNIVERSITY OF MICHIGAN

Foreløpig observerer forskere i USA og Storbritannia som arbeider med naturlige menneskelige embryoer en grense for sitt arbeid kalt 14-dagersregelen. Ingen menneskelig embryo studeres utover to uker, eller tidligere når den primitive streken dannes, avhengig av hva som kommer først. Før da er det ingen som tror at de har noen form for følelse og ikke er i stand til å føle smerte i henhold til Warnock-rapporten fra 1984 som fastslo regelen.

I flere tiår har den regelen tilbudt en praktisk og klar linje i sanden. Og de samme grensene brukes på embryoider, i det minste foreløpig. Etter retningslinjer publisert i fjor av Kimmelmans internasjonale stamcellesamfunn, ødelegger Fus team cellene bare fem dager etter at de er laget. Dette forhindrer strukturene i å utvikle det bioetikere kaller trekk som gir bekymring – for eksempel et primitivt nervesystem.

Men forskere er forberedt på å hevde at deres strukturer ikke er ekte embryoer, og at de bør være i stand til å strekke grensen. Noen eksperter ber om en fullstendig slutt på regelen, og sier at den er utdatert. John Aach, en forsker ved Harvard Medical School, tror helt nye etiske målestokker vil være nødvendig for å hjelpe til med å veilede tester av organoider. Kan for eksempel en minihjerne som er dyrket i laboratoriet på en eller annen måte føle lidelse? Og kan vår definisjon av et embryo tåle bevis på at laboratorier kan lage nye typer som aldri før er sett? Alle store vitenskapelige fremskritt har en måte å avsløre unøyaktigheten i vanlige konsepter og tvinge folk til å tenke på dem på nytt, sier Aach.

Allerede før papiret hans kom ut, var Shao etikkeksperter i knapphull, inkludert Insoo Hyun, professor ved Case Western University, på en konferanse i Boston i år. Hyun følte at den unge forskeren var på trygg grunn fordi strukturen hans ikke inneholdt alle deler av et embryo. Jeg synes at de bør designe eksperimenter for å fokusere på spesifikke spørsmål, og ikke modellere alt, sier Hyun. Mitt forslag er, bare ikke lag hele greia. Ett lag kan lage motoren, et annet hjulene. Jo mindre tvetydig moralsk tingen er du gjør, jo mer sannsynlig kan du gjøre forskningen din uhindret.

Det er enda en grunn til å være forsiktig. USA utestenger for tiden føderal finansiering for enhver undersøkelse av embryoer, uansett hvordan de er laget, under en lov kalt Dickey-Wicker Amendment.

Selv om dagens embryoider ikke ser ut til å være dekket av den juridiske begrensningen, kan de være det hvis forskerne gjør dem realistiske nok. Som svar på skriftlige spørsmål sier vitenskapspolitisk kontor ved National Institutes of Health, finansieringsbyrået på 33 milliarder dollar i året, at det har en intern prosess den bruker for å analysere bevilgninger og for å avgjøre om foreslått forskning vil skape en organisme som oppfyller den lovbestemte definisjonen av et menneskelig embryo.

Forskerne i Michigan, hvis prosjekt brukte midler fra to NIH-stipender, sier byråets tjenestemenn ikke har reist noen innvendinger så langt. Foreløpig lever og dør embryoidene i bokser laget av lucite og metall og mates med kulturmedium. På grunn av den virkelig tunge ingeniørkomponenten til disse enhetene, tror jeg du vil være i stand til å hevde at disse ikke er organismer, sier Hyun. Det er et poeng som Shao også har forsøkt å understreke. Da Shao presenterte gruppens arbeid i år, la han til lysbildene sine en etikkerklæring skissert i en knallgul boks, og sa at embryoidene ikke har menneskelig organismeform eller potensial.

Relatert historie

Relatert historie

Men slike definisjoner kan være et bevegelig mål. Hele poenget med strukturene er den overraskende, selvstyrte, til og med organismemessige måten de utvikler seg på. Robert Cork er leder for Virtual Embryo Project, som vedlikeholder bildene Michigan-teamet brukte for å identifisere strukturene deres. Da jeg spurte ham om Shaos papir, fortalte Cork meg at embryoidene kunne fortsette å lage noen av delene de mangler for øyeblikket, hvis eksperimentene fikk lov til å gå videre. Dette tyder på at hvis de kan holde cystene levedyktige lenger, kan de gå videre og begynne å utvikle seg til noe mer 'embryo-lignende', sier Cork.

Høy gjennomstrømming

Jianping Fu er professor i maskinteknikk ved University of Michigan. Med tillatelse fra University of Michigan

Fu sier at neste trinn i hans Ann Arbor-laboratorium er å perfeksjonere prosedyrer for å lage embryoider med spesifikke egenskaper, og i større antall. Til å begynne med, av hver 100 cyster som Michigan-forskerne vokste, endte bare fem opp med den asymmetriske formen som minner om fostersekken. Men de har allerede lært hvordan de skal få den formen til å dukke opp hver gang. Produksjonen av embryoider vil bli programmerbar og skalerbar, spår Fu.

Legemidler kan testes på embryoidene, for eksempel for å flagge alle som har toksiske effekter og forårsaker fødselsskader. Fus håp er at syntetisk embryologi til slutt kan hjelpe ingeniører med å dyrke komplette menneskelige organer. Jeg snakker ikke om en menneskekropp uten hjerne. Men det som er en sann mulighet er at du kan utvikle en mini-tarm eller en mini-lever, siden embryoet utvikler dem også. Og hvis du har de primitive organene, kan de vokse til et funksjonelt organ, spår Fu. Laboratoriet har begynt å dyrke embryoider på en brikke på størrelse med et kredittkort. Etset inn i den er seks mikrokanaler, som hver rommer 10 av enhetene, som er suspendert i hydrogeler og matet med næringsstoffer holdt i miniatyrbøtter. Fu kaller det høykapasitetsproduksjon.

På denne måten, sier han, kan alt utløses og under kontroll.

gjemme seg